核电站反应堆厂房穹顶钢衬里整体吊装的特点及技术发展.doc

核电站反应堆厂房穹顶钢衬里整体吊装的特点及技术发展xxx摘要 核电站反应堆厂房穹顶钢衬里是厂房结构的重要组成部分，由两种曲率组成的大跨度带球面薄壳结构，体积大、结构自身刚度有限，整体重量大，其吊装及安装是核电站建设进度计划中重要的里程碑。其吊装工艺是核电站建设中必须解决的关键施工工艺技术之一。传统的水平、垂直剖分吊装工艺已被先进的整体吊装一次就位的吊装工艺成功取代。本文对核电站反应堆厂房钢穹顶钢衬里多种吊装工艺进行分析对比，重点介绍整体吊装的工艺特点和应用前景。关键词 核电站 反应堆厂房 穹顶钢衬里吊装1. 概述 核电站反应堆厂房穹顶钢衬里是反应堆厂房结构的重要组成部分，是核反应堆发生事故时防止放射性物质泄漏的第三道安全屏障，属于核安全级承压设备。核电站建设进度计划中反应堆厂房穹顶钢衬里的组装、吊装及安装是一个重要的里程碑。穹顶钢衬里的吊装就位，标志着核岛主厂房土建工程施工阶段基本结束，反应堆主设备安装工程全面开始。反应堆厂房穹顶钢衬里是由两种曲率组成的大跨度带肋球面薄壳结构，在浇注反应堆厂房顶盖预应力砼时起到内模板的作用，也是反应堆厂房安全系统喷淋管道的支承，因其体积大、整体重量大，刚度有限，故其吊装工艺是核电站建设中必须解决的重大施工工艺技术之一。在国内自主设计和建造的第一座核电站秦山核电站建设中，根据工程现场的施工条件和传统的施工工艺，选择了地面拼装、水平剖分成两组件分别吊装的施工工艺，成功实现吊装就位，为我国核电建设反应堆厂房穹顶钢衬里吊装走出了新路子，其吊装技术达到了国际同类先进水平，并具有我国自身的特点。在引进法国核电技术建造的大亚湾核电站的施工中、反应堆厂房穹顶钢衬里结构采用了法国特有的垂直剖分方式，同样成功实现吊装就位。这两种剖切方式皆因起重机械的起重性能所限采取的分块方式。随着核电站建造技术的不断发展，大型结构吊装工艺不断的改革和创新，前述的分块吊装工艺已被目前先进的整体吊装工艺所代替，并且在实践中不断地发展和完善，必将成为新一轮核电站建设中主要推广应用的先进吊装工艺。2. 核电站反应堆厂房穹顶钢衬里吊装国外状况在国外压水堆核电站建设中，因各国起步发展核电技术的经济情况不同，反应堆厂房穹顶钢衬里施工工艺各异，大致可以归纳为支撑架高空拼装、水平或垂直剖分块、整体吊装三种施工工艺。现分别简述如下：2.1支撑架高空拼装施工工艺支撑架高空拼装施工工艺是较早建设核电站中常用的一种节省大型起重设备投入的简便方式。利用反应堆厂房内环行桥吊作支承，在其上搭设一个钢结构支撑架，将预制的双曲率瓜瓣状球壳逐块用建筑塔式起重机吊装到反应堆厂房上口进行就地拼装成整体。本工艺的特点是一次就地拼装完成，不使用大型起重机械吊装，节省设备投入的资金，但施工期一般需要八至九个月时间。如日本敦贺核电站2#机组的建设即是采用这种施工工艺。 2.2分块吊装施工工艺各国核电站建造承包商在总结支撑架高空拼装的经验的基础上，为了提高工作效率，进一步获得缩短工期带来的显著的经济效益，在技术装备上解决了一定的起重吊装能力后，采取在地面搭设支撑架（拼装台），将整个穹顶钢衬里在地面拼装时就按垂直或平行于底边剖分成二组件或三组件，分组件吊装就位的施工工艺，相对减少了高空安装的工作量。本工艺的优点是在支撑架施工工艺的基础上将安装所用工期减少为二至三个月。其中水平剖分施工工艺分块组件尺寸大，由于是无支撑安装，只能是从下至上的进行，需占用大型起重机约一个月，这种施工工艺在英国的SIZWALL核电站A、B机组建设中采用。垂直剖分施工工艺因其分块尺寸较小，需用吊车的能力也相对要小，而且可以用环形行桥式起重机中心拱形架作中心支撑、配合下口周边支撑进行安装调整。这种施工工艺在美国、法国核电建设中采用。我国引进法国核电技术建造的广东大亚湾核电站，其参考电站是法国北部敦克尔刻格拉芙林5号，反应堆厂房穹顶钢衬里的组装、吊装施工工艺即为典型的法国模式。2.3整体吊装施工工艺反应堆厂房穹顶钢衬里整体吊装施工工艺，即穹顶钢衬里在地面拼装台架上完成包括球壳内曲面上悬挂的安全系统喷淋管道、消氢系统通风管道在内的整体拼装，由一台或多台大型起重机将其整体吊装到反应堆厂房筒体上方安装。由于穹顶钢衬里整体吊装工件重量大，外形尺寸大，所需特大型起重设备的吊装能力达650t800t才能满足使用要求。整体吊装施工工艺在德国/电站联盟（KWU）从事球形壳核电站反应堆主厂房的赤道带及球冠部分吊装采用。芬兰使用1000吨米塔式起重机，前苏联建设VVER1000型核电站中曾使用两台大跨度龙门吊横跨反应堆厂房及穹顶钢衬里地面拼装场地，将反应堆厂房穹顶结构整体抬吊就位。由于整体吊装施工工艺的技术难度高及购置大型起重设备的投资大，施工现场布置条件等其整体吊装的优势不能充分显示出来，其推广和应用也一度受到限制。3. 国内核电站反应堆厂房穹顶钢衬里吊装状况 3.1秦山核电站反应堆厂房穹顶钢衬里吊装3.1.1由于核电站建设在国内尚处于起步阶段，我国自行设计建造的第一座核电站秦山核电站300MW机组属于原型堆，根据工程特点和实际情况，在国内完全依靠广大科技工作者的努力，克服经验缺乏和资料不足的重重困难，优先选择了在地面拼装分块吊装穹顶钢衬里这一高起点的施工工艺。根据现场施工设备的起重能力，采取了平行于底边的水平剖分方式，使两组件重量相似，既解决了吊装设备能力不足的问题，又适当减少了高空安装工作量。在穹顶钢衬里两部分成功地吊装就位后，进行了无支撑安装和调整。3.1.2通过秦山核电站反应堆厂房穹顶钢衬里的吊装，主要摸索出：吊装设备的选择、布置；加工成型、地面拼装；合适的剖分块、吊点的设置及加固；吊绳长度及受力简易可调节的配置；吊装载荷作用下，穹顶结构的稳定性及吊装变形控制等方面的成功经验。采用简单有效的措施使12个吊点受力基本一致，在提升、移动过程中保持吊点受力基本不变。3.1.3通过上海核工程研究设计院用电子计算机对在吊装载荷作用下结构变形及整体稳定性进行了计算，结果证明：下部球台组件竖向变形小于2mm，径向变形小于3mm。在分组件吊装中，球台、组件下口（直径36m方向）不平度为65mm；球冠组件下口不平度为40mm，球台组件与筒体钢衬里接口采用过渡板方式，球冠下口与球台组件上口对接处采取了导向支撑措施，随吊装组件重力下降其接口处基本对齐，并达到接口焊接要求。3.1.4针对穹顶钢衬里是带肋结构及剖分块的特点，径向刚度比竖向刚度大，各吊点吊绳与水平面倾角的大小对穹顶吊点处径向、竖向的局部变形有直接的关系，在计算选择吊绳长度和吊绳倾角时，拟针对球台和球冠不同形体的力学特征，适当减小倾角以减小吊点处的竖向变形。3.2大亚湾核电站反应堆厂房穹顶钢衬里吊装3.2.1在引进法国核电技术建造的大亚湾核电站工程中，其反应堆厂房穹顶钢衬里吊装选用的亦是法国模式，垂直剖切分块施工工艺已是法国核电站建造工作标准化的重要体现。由Fostrans公司使用的MK650型起重机吊装，由于受MK650型起重机吊装能力所限，将穹顶结构在地面组装时按垂直剖分为重量基本相似的A.B两组件，分别吊装。这种方法广泛用于法国核电站建设和其他国家采用法国压水堆技术建造的核电站，如韩国蔚珍（KYONG BUK ULJIN）核电站1#和2#机组。3.2.2法国核电站反应堆厂房穹顶钢衬里垂直底边剖切分块施工工艺在大亚湾核电站施工中主要有如下优点：a) 分块后组件尺寸小，起重机可以在较小的回转半径处进行吊装作业，吊装工况更优，有利于吊装；b) 用一根钢丝绳就可以解决球壳尖端外翘问题；c) A、B的组件可在一天之内连续吊装，占用大型起重机时间最短；3.2.3 法国核电站反应堆厂房穹顶钢衬里垂直底边剖切分块施工工艺在大亚湾核电站施工中主要存在如下问题：a) 剖切后的分块组件成双向开口，无对称轴线，大大降低了穹顶结构自身的强度和刚度；b) 组件重心很难与起吊钢丝绳汇集点中心线重合(影响因素多,理论计算重心与实际误差大)；c) 吊点数少，吊点处承受吊装载荷大，吊点处结构局部加强件重量大，增加了整体总量；d) 吊绳无定尺长度，由多根大于吊绳受力计算值13倍不同承载能力的吊绳和大于承载能力3.5倍的多种规格卸扣连接组成，造成起重机吊钩起吊中心偏离计算中心（其量值见大亚湾核电站工程建设经验汇编第2册P385中孙长林著反应堆厂房（安全壳）穹顶衬里的吊装 ）。e) 剖切后各起吊组件采取的唯一防变形措施是靠近垂直剖切处1#2# 吊点间球壳内侧一根钢丝绳，因其调节的力度（张力）很难掌握，所以未能完全起到应有的控制变形作用。其原因分析如下：当穹顶结构放置于地面拼装台上时处于自由状态，在组装时吊点间尺寸严格控制在设计要求值之内，此时不存在变形。吊装变形是因吊装载荷作用于吊点处，并随吊绳上拉力的增加而球壳开口尖端外翘变形增大；当组件起吊离开支撑悬空时吊绳上拉力达到最大值，球壳尖端外翘变形也达到最大值。因忽略这一受力变化过程和没有把握住调节张紧钢绳的时机，使其未能充分发挥防变形作用。同时，此钢丝绳是水平挂置，在其自重作用下挠曲度影响，就可以使 1#2# 吊点之间尺寸变化，当穹顶组件就位时，吊绳上拉力逐渐由最大值减小到零（即不受力），防止变形张拉钢丝绳的张拉力也应随之调松至不受力。 f) 法国模式的垂直剖分吊装施工工艺，除工艺本身存在许多不可克服的缺点外，另有一个使安装承包商更为关注的问题：这就是穹顶结构垂直剖分吊装及安装期间的强行移动和对口引起的结构变形，导致球壳内曲面上已安装、冲洗并试压的安全系统喷淋管道及支架发生移位、管道发生变形，以及由此给二次安装带来的困难。在后期的施工中为处理这些支架移位和管道变形，克服了重重困难，在高空狭小工作架上8人花了三个月时间才完成10段管道的接口工作。4. 关于吊装变形的控制与措施4.1穹顶钢衬里具有薄壳结构的特殊性、又因为所使用的大型起重机械能力所限，将结构水平或垂直剖分方式分块，改变了其整体性，在吊装载荷作用下产生变形是不可避免的。吊装变形的大与小是由合理的剖分方式、吊点数量设置、吊索具布置决定的。通过选择有利于保持结构的对称性的剖分方式、合理的分析、严密的计算、合理配置吊索具等综合性的工作，是可以做到减小并控制吊装变形的。4.2穹顶钢衬里水平剖分方式吊装的吊点数量设置，视剖分后结构件的尺寸及重量而确定，以12个（直径37m）或1218个（直径37m）偶数为宜，沿圆周均匀分布。吊点布置数量偏少时，吊绳受力增大、穹顶钢衬里结构局部吊装变形相应增大。4.3吊绳受力及结构变形随吊点个数变化的规律是：吊绳受力随吊绳与水平面夹角的减小而增大，作用于吊点处径向力增大，结构径向变形增大，竖向变形减小；反之，吊绳受力随吊绳与水平面夹角的增大而减小，作用于吊点处径向力减小，结构径向变形减小，竖向变形增加。4.4吊绳受力随吊绳与水平面夹角的增大而减小，以减小作用于吊点处径向力以及减小结构径向变形作为首要满足的条件，但随之要求起重机吊钩的有效升高增加，对所选用起重机的起重性能提出了更高的要求。5. 反应堆厂房穹顶钢衬里整体吊装的特点5.1在核电建设中，如何缩短建设周期，降低建造成本，使投资的回收期尽量提前，引起了各核电站工程项目建设业主和建造承包商的高度重视。若按百万千瓦机组投产后每台每日产值100万美元计，2台机组因穹顶整体吊装分别使反应堆厂房浇灌完成提前一个月时间，则电站提前投产的经济效益达6000万美元以上。因此，业主与承包商更注重了对以往核电站建设经验的全面总结，增大了技术装备的投入，扩大了组合件起吊重量，改进了重型设备与结构吊装工艺和提高机械化作业程度。在第二轮核电站建造中，其反应堆厂房穹顶钢衬里吊装已较多地采用了整体吊装这一新工艺，这是核电站工程建造技术发展的必然趋势。5.2在总结秦山一期和大亚湾核电站工程建设中反应堆厂房穹顶吊装实践经验的基础上，核电工程建设领导者和工程建设专家，更看重穹顶钢衬里整体吊装施工工艺使核电站工程建设进度提前，以及由此带来的明显的经济效益和社会效益。同时穹顶钢衬里整体吊装施工工艺有利于穹顶与筒体的组对，将安全系统喷淋管道、通风管道等一次安装到位，保证工程进度和质量。5.3穹顶钢衬里整体吊装便于相关施工a) 穹顶钢衬里整体吊装的地面拼装阶段占用场地面积与分块吊装基本一致； b) 穹顶钢衬里地面完成拼装后，更具有整体性和完整性。原垂直分块方式的喷淋管道接口由横向改为竖向，管道接口根数由10根（大亚湾核电站）改为6根（岭澳核电站）；c) 穹顶钢衬里与筒体对接缝调整及焊接工作量仅为秦山一期分块吊装的56%，为大亚湾工程的70%，由原来的横缝加仰焊改为全部横缝，易于焊接和焊后检验操作，保证质量；d) 穹顶钢衬里采用整体吊装工艺后，横缝的对接和焊接可控制在一个月内完成，及早具备土建施工及反应堆主设备安装的条件；e) 对内部结构施工及环行桥式起重机调试工作的影响可减至最小。6. 穹顶钢衬里整体吊装的技术关键6.1大型起重设备的吊装能力，应满足穹顶钢衬里整体组装重量与起吊绳具重量之和，并充分考虑到材料代用及焊接、计算误差、带载移动、风载荷等附加值，提升高度和工作半径有一定的裕度。6.2对穹顶整体吊装建立三维空间模型和计算程序，进行有限元分析计算。并对不同的吊点数目、吊绳倾角的计算模型,经比较后选择最优吊装方案。通过三维动画演示吊装的全过程，验证吊装方案的可实现性。6.3掌握吊绳受力、结构变形随吊点个数及吊绳与水平面夹角变化的规律，使吊点处结构径向变形和竖向变形趋于合理，使结构下口与筒体对接处的变形最小。6.4为使各吊点及吊绳受力基本一致，将其受力差值控制在5kN之内，必须统一吊绳及连接件规格、型号，严格控制吊绳的长度，其长度误差应在30mm之内。6.5每根吊绳应分别连接穹顶钢衬里吊点与起重机吊钩之间，避免起重机吊钩口内一根吊绳连接穹顶两个吊点可能出现的窜动引起的受力不平衡。6.6为消除穹顶钢衬里内曲面喷淋管道、通风管道及支吊架重量分布不均影响结构下部水平度，拟在管道明显集中处附近的吊点设置吊绳长度调节装置。7. 反应堆厂房穹顶钢衬里整体吊装实施随着国民经济的不断发展，对电能的需求量日益增加，以及能源结构的调整，核能这一新型清洁能源正在被人们所认识，被社会公众所接受。核电事业迎来了九五期间岭澳、秦山二期、秦山三期、江苏田湾核电站相继开工建设的大好局面。业主和建造承包商共同研究处于工程建设进度关键路径上的反应堆厂房穹顶钢衬里的施工工艺，并把反应堆穹顶钢衬里整体吊装列为重大施工技术创新项目，认真地加以研究，从方案设计到技术准备，施工准备方面做了大量有益的工作。7.1国产化、自主化建设的秦山核电二期工程2650MW机组于1996年6月正式开工。建造承包商已把反应堆穹顶钢衬里整体吊装列为施工技术创新项目，认真地加以研究，从方案设计到技术准备，施工准备方面做了大量有益的工作。业主核电秦山联营公司投资购置了美国MANITOWOC公司 M4600 S4/S3大型履带式起重机，由核工业第五建设公司机械化公司承担吊装工作，已在1998年11月实施秦山核电二期工程1#反应堆厂房穹顶钢衬里的整体吊装。M4600S4S3吊车的主要技术参数为：主臂长853m、仰角700；副臂长244m、偏置角60，带环形支撑梁；起吊幅度：488m；额定起重重量：197，3t；吊钩最大起升高度：98m。穹顶吊装时，起吊幅度：485m；最大起吊件重量：173t(包括吊索、吊具重量)；吊钩最大起升高度：8349m；穹顶升至51m时与臂杆的最小距离：1.337m。秦山核电二期工程穹顶结构整体吊装，在我国核电站建造史上是首次，因为难度大,其吊装的成功与否,直接关系到反应堆厂房封顶关键路径,在国际上也仅有少数国家进行过有限次数的类似吊装。对于这样的庞然大物，安装质量要求如此之高，近乎苛刻，国内外少有，这也是吊装前许多专家所担忧的。国内在无任何先例和详尽资料可借鉴的情况下，完全靠技术创新和自力更生，用最短的时间圆满地实现了这一目标。7.2 岭澳核电工程2984MW机组已于1997年5月开工建设。在总结引进技术建设大亚湾核电工程经验的基础上，已在重型设备吊装工作包技术条件中，明确地提出了反应堆厂房穹顶钢衬里整体吊装的要求。中标单位广东省火电建设公司,利用已有的MANITOWOC M4600 S4型履带式起重机增配S3型轨道及重型吊臂等装置，以主臂85.3m；副臂24.4 m，偏置角60；作业半径518 m；起吊件底部起吊高度55.3m时，吊机的额定起重量为171.6t，负荷率为93.3的工况，分别于已在1999年4月9日和12月7日顺利完成将岭澳核电站1#及2#核岛穹顶整体吊装与对接,实现岭澳核电工程1#及2#反应堆厂房穹顶钢衬里的整体吊装。比计划日期分别提前21天和24天，从而实现两项重大里程碑的工程进度，为核岛安装关键路径增加了约2个月的裕度。也对推动我国百万千瓦级核电工程建设的自主设计、自主施工和自主管理起了很好的作用。 7.3田湾核电站21000MW机组，核岛反应堆厂房钢衬里穹顶为半球式结构，结构内直径为44米、高度为22米，结构重量(含附件)为336吨。为便于结构施工，充分利用中原核电建设公司、中核建设集团第五安装公司拥有内最大能力的 Manitowoc M4600 S4/ S3型履带式起重机和LR1800型800吨进行吊装，穹顶被水平分剖为上部分球冠，下部球带两部分，喷淋系统管道、通风系统管道等附件的安装完毕后分两次吊装。各组件分别设置18个吊点并配置相应的长度调节装置，保证各吊点受力均衡。穹顶球带部分吊装件下口超越高度55.027m,吊钩起升最大高度106.425m，起吊重量150吨，1#机组使用Manitowoc M4600 S4/ S3型履带式起重机完成球带部分吊装。穹顶球冠部分吊装件下口超越高度65.40m,起升总高度88.8m, 起吊重量为248吨，使用LR1800型800吨完成吊装。8. 结束语由于现有的几座核电站分别是从法国、加拿大、俄罗斯引进的技术，核反应堆的堆型上也出现了压水堆和重水堆类，仅压水堆型就有两种模式，导致核电建设遵循的施工标准缺乏系统性、施工方式方法呈多样性。由于技术、经济发展的的差异性，反应堆厂房穹顶钢衬里的水平或垂直剖分块吊装及整体吊装三种方式，在现有核电站建造施工中将依然并存。法国核电站反应堆厂房穹顶钢衬里垂直底边剖切分块方式是使用较小能力起重机完成穹顶钢衬里吊装的特例。垂直剖切后的分块组件成双向开口，无对称轴线，自身的强度和刚度低等本身存在许多不可克服的缺点，其技术在我国自主化建设核电站的进程属于淘汰之列。垂直剖分与水平剖分方式及吊装工艺，正在被起重机的大型、巨型化和整体吊装工艺所取代。为了追求更高的经济效益，缩短核电站建造周期势在必行。处于核电站工程建设进度关键路径上的反应堆穹顶钢衬里吊装工艺的改进，对缩短施工周期显得尤为重要，改善落后的施工方法，使用大型起重机械，增加组件吊装重量，实现穹顶钢衬里整体吊装就位，对整个核电站建设有着重要的现实意义。我国自主设计、自主建造核电站穹顶钢衬里整体吊装的成功尝试，充分体现出其工期短、质量好、效益高和安全可靠、性能优良等特点，真正体现“以我为主，中外合作”，更快更好地实现自主发展我国核电事业的目标。 参考文献1.七二八工程01厂房安全壳穹顶钢衬里吊装施工方案内部资料、 陈廷祥 1986年12月 。2. 核科委（1987）7号文件秦山核电厂安全壳穹顶钢衬里拼装吊装审定会议纪要。3.秦山核电工程安全壳穹顶钢衬里吊装施工技术总结内部资料 、陈廷祥1992年5月。4.大亚湾核电站安全壳穹顶钢衬里吊装考察报告内部资料 、陈廷祥 1990年5月。5.反应堆厂房（安全壳）穹顶衬里的吊装 孙长林 大亚湾核电站建设经验汇编第2册P385.6.反应堆厂房辅助系统管道安装顺序的分析 赵诚华 大亚湾核电站建设经验汇编第5册P362.7. “穹顶整体吊装的设计验证”岭澳核电站工程实践与创新设计管理与采购卷（）P52 吴建华 蒋 虹 朱绍军。8.“秦山核电二期工程安全壳穹顶钢衬里整体吊装对接设计技术”秦山核电二期工程建设经验汇编设计篇 核工业第二研究设计院 阮给安 杨建华。9. FOSTRANS HEAVY LIFTING SPEC1F1CAT10NS LIFTING DOME VAULTS ON UNIT NO：1 LIFTING PROCEDURE PG 113RX0029PFOS44SS.10. FRAMATOME SOFINEL REACTOR BUILDING UNIT 1-DOME SPRINKLING RINGS EAS AND ETY PLAN VIEW ,PIPING SUPPORT LOCATION DRAWINGS PG 1R5516410FSBS43SB.